Forskere udvikler ny metode til at analysere metal

Krigskæmpere på slagmarken er ofte afhængige af maskiner, køretøjer og andre teknologier med roterende dele for at fuldføre deres mission. Hærens forskere har udtænkt en ny metode til at teste for en væsentlig faktor i udstyrsfejl og nedbrud for at sikre, at disse værktøjer lever op til den rette kvalitetsstandard.

Når mekaniske dele glider mod hinanden i lange perioder, den konstante slibning kan slide metaloverfladerne ned, indtil delene ikke længere er funktionelle. Studiet af friktion, slid og smøring, når to eller flere overflader interagerer i relativ bevægelse, er kendt som tribologi, og dets betydning inden for materialevidenskab og teknik har fået forskere til at finde nye måder at undersøge tør mekanisk kontakt på.

Forskere ved US Army Combat Capabilities Development Command's Army Research Laboratory har for nylig udviklet en ny tilgang til at analysere det tribologiske svar mellem stål og siliciumnitrid, der finder sted, når de to metaller interagerer, snarere end efter at prøverne er kølet af.

Denne seneste metode til at studere slid og ælde kan give forskere mulighed for at observere flygtige kemiske reaktioner, der opstår på kontaktstedet.

"Det mekaniske system er meget dynamisk under drift, " sagde Dr. Stephen Berkebile, Hærens forskningsfysiker. "Hvis den ikke fanges under drift og, i stedet, målt, når den ikke bevæger sig hurtigt, de forbigående kemiske reaktioner og fysiske ændringer ville ikke blive fanget, da systemet kan ændre sig efter afkøling fra friktionsopvarmningen."

Berkebile fungerede som en af ​​hærens forskere, der arbejdede sammen med University of North Texas for at studere glidende interaktion mellem stål og siliciumnitrid. Mere specifikt, teamet forsøgte at undersøge, hvorfor forøgelse af glidehastigheden mellem stål og siliciumnitrid reducerede deres friktions- og slidhastighed, da de kom i kontakt.

Ifølge forskerne, samspillet mellem stål og siliciumnitrid er en, der almindeligvis finder sted under tørbearbejdningsprocessen af ​​visse skærende værktøjer og i nødsituationer med højhastighedslejer, når de mister deres smørekilde, som dem i jetmotor turbiner. At forstå kinetikken bag den hurtige glidende kontakt mellem disse to metaller ville være afgørende for at udvikle bedre og sikrere køretøjer og udstyr til soldater.

"Hybride lejer med stål/siliciumnitrid-kontakten bliver i stigende grad brugt i turbomaskineri inden for helikopterfremdrivningssystemer, " sagde Berkebile. "Sådanne hybridlejer finder mere og mere anvendelse i rotorfartøjer og helikoptere fremdriftssystemer, hvor de betjenes ved høje hastigheder."

Forskerne udførte eksperimentet ved hjælp af et Ball on Disk -tribometer, der gled en rullende siliciumnitridkugle mod en roterende stålskive, der blev opvarmet til 120 grader Celsius med en varm plade nedenunder.

Et stereo-optisk mikroskop med en farve Charge-Coupled Device, eller CCD, kamera og et infrarødt kamera opnåede termiske billeddata, da diskens rotationshastighed steg fra 1 m/s til 16 m/s. Bagefter, forskerne udførte en analyse af slidsporene ved hjælp af en tilbagespredningselektrondetektor, der kortlagde grundstofsammensætningen af ​​den resterende filmrest.

"Ved at kombinere to optiske metoder med friktionsdata i realtid, vi kunne forstå den kemiske overgang i slidmekanismen, "Sagde Berkebile." Vi var i stand til at korrelere friktionen, temperatur og kemisk tilstand af den mekaniske kontakt under aktiv drift af eksperimentet, mens den kemiske reaktion fandt sted."

Ifølge forskerne, dette eksperiment repræsenterede det første kendte forsøg på at analysere den tribologiske reaktion fra stål og siliciumnitrid midt i en test med høj glidende hastighed.

Desuden, dataene fra denne dristige satsning gav ny information om arten af ​​tribologiske virkninger, der fandt sted.

Holdet opdagede, at friktionsopvarmningen forårsaget ved en glidende tærskelhastighed på omkring 4,5 m/s inducerede en kemisk reaktion, der efterlod en smørende tynd film ved den stærkt belastede kontaktzone.

Denne glatte tynde film var det, der tillod den mekaniske interaktion mellem stål og siliciumnitrid at demonstrere lavere friktion og slid, efterhånden som glidehastigheden steg. Ved at bruge den nye tilgang, holdet formåede at udpege det nøjagtige tidspunkt, hvor den kemiske reaktion fandt sted ud fra observationer af slidsporenes farveændring under eksperimentet.

Derudover forskerne fastslog, at dette fænomen er fuldt aktivt, når glidehastigheden steg over 9 m/s under gear- og lejelignende forhold.

Baseret på analysen af ​​slidsporene, forskerne bekræftede, at en række oxidationsreaktioner må have fundet sted som følge af samspillet mellem jern, ilt og silicium under høje temperaturer fra friktionsopvarmning.

"Vi fandt ud af, at en jævn overgang mellem en kemisk reaktion til en anden sker under overgangen mellem lavfriktions- og slidtilstanden og højfriktions- og slidtilstanden, " sagde Berkebile. "Den kemiske reaktion kræver også friktionsopvarmning for at opretholdes, og kan således 'slukke' sig selv efter få sekunder, hvis lavfriktionstilstanden opnås, og friktionsopvarmningen reduceres ved mellemhastigheder."

Ifølge Berkebile, denne nye in-situ tilgang til undersøgelse af tørre glidende mekaniske kontakter rummer potentialet til væsentligt at forbedre hærens bestræbelser på at udvikle maskiner, der bedre kan modstå høje temperaturer, belastninger og hastigheder.

"Hærens helikoptere har et krav om at operere i 30 minutter efter, at smøringen er tabt fra drivsystemet, "Berkebile sagde." Fra denne undersøgelse, vi har lært, at for drivsystemer, der indeholder hybridkomponenter, såsom siliciumnitrid/stållejer, materialerne kan faktisk holde længere, hvis de glider med en højere snarere end lavere hastighed, hvilket er virkelig kontraintuitivt."